Способы поддержания технологических свойств промывочных жидкостей в заданных пределах

Промывочные жидкости с минимальным содержанием твердой фазы способствуют росту механической скоростью бурения, не вызывают зашламование ствола скважины, снижают число возможных перебуриваний ранее пройденных интервалов. При их применении исключаются прихваты и затяжки бурового инструмента в скважине, а следовательно, снижается число возможных аварий с буровым инструментом, геофизической и другой аппаратурой, спускаемой в ствол скважины, обеспечивается предупреждение поглощения промывочной жидкости, снижается износ бурового инструмента и оборудования. Затраты на химическую обработку промывочных жидкостей с минимальным содержанием твердой фазы значительно ниже, чем на обработку растворов, содержащих большое количество различных примесей. В связи с этим важно точно определять и поддерживать в процессе бурения требуемую плотность очистного агента. Поддержание желаемой плотности раствора в условиях постоянно возрастающего количества твердой фазы возможно только при надежном выведении твердых частиц из бурового раствора.

Рост плотность жидкости в результате поступления в нее частиц выбуренной породы можно определить по формуле

, (1.5)

где - механическая скорость бурения, м/ч; D – номинальный диаметр скважины, м; - наружный диаметр бурильных труб, м; и р – плотности породы и промывочной жидкости, ; - скорость движения жидкости в затрубном пространстве, м/ч; - скорость оседания частиц, м/ч.

Скорость поступления твердых частиц в промывочную жидкость может быть найдена из выражения

(1.6)

где F – площадь разрушения породы на забое скважины долотами, коронками,

Для своевременного выведения из раствора шлама известны следующие способы: разбавление, вытеснение, осаждение и удаление твердой фазы с помощью специального оборудования. При разведочном бурении в основном применяются два первых способа. Однако способ разбавления водой должен использоваться весьма осторожно, так как это может привести к ухудшению реологических и особенно фильтрационных свойств раствора.

Количество воды для получения в растворе заданного содержания твердых частиц можно определить по формуле

, (1.7)

где - объем воды или нового глинистого раствора, необходимый для разбавления, ; - общий объем промывочной жидкости в циркуляционной системе, ; с- общее содержание частиц в растворе, %; - необходимое содержание твердых частиц в растворе, %; - доля добавленных твердых частиц (бентонита или химических реагентов).

Метод вытеснения (замены части раствора на новый) применяется наиболее широко. Так, в условиях Норильской КГРЭ при бурении глубоких скважин (до 2000 м и более) замена части и даже всего раствора производится через 3-5 сут. Заметим, что при использовании в этих условиях полимеркалиевого раствора за это же время плотность раствора возрастала при бурении по аргиллитам от 1,05 · до 1,23· кг/ . При этом способе часть раствора из ствола скважины вытесняется на сброс, а в отстойники доливается равные сбросовому количество нового раствора. Это, естественно, приводит к удорожанию буровых работ вследствие повышения расходы воды и дорогостоящих химических реагентов.

Объем жидкости, добавляемой в циркуляционную систему, определяется по формуле

, (1.8)

где - доля удаленных твердых частиц. Остальные обеспечения аналогичны использованным выше.

Технические средства для выведения твердой фазы из промывочного раствора. При бурении на твердые полезные ископаемые для очистки раствора в основном используется желобная циркуляционная система и реже гидроциклоны различных конструкций. По данным В. А. Кичигина, желобная система длиной 25 м при перепаде 0,4 м позволяет снизить содержание частиц шлама в растворе с 3-4 до 1,5-2,0%. При этом в желобах остается только крупный шлам.

Отраслевой лабораторией технологии и техники разведочного бурения (ТТРБ) ЛГИ оценивалось изменение свойств бурового раствора до и после его прохождения через отстойную систему. Опыты проводились в Норильской КГРЭ при бурении снарядом КССК по базальтам VIII категории по буримости. Циркуляционная система состояла из предустьевого отстойника, желобов и основных отстойников вместимостью от 1,5 до 2,5 . Параметры раствора замеряли по пробам, отобранным сразу за пределами приустьевого отстойника и после прохождения раствора через всю очистную систему. Полученные данные позволили сделать вывод, что очистка промывочной жидкости в желебной системе после приустьевого отстойника практически не происходит. Крупные частицы шлама осаждаются в основном сразу же в первом отстойнике. Более надежную очистку бурового раствора от шлама можно получить только при использовании специальных технических средств [41].

Все известные очистные устройства можно разделить на три группы: выбросита, гидроцыклоны и центрифуги. Предельные размеры частиц шлама, удаляемых из бурового раствора этими устройствами, приведены ниже.

Устройство ……………………Выбросито Гидроциклон Центрифуга

Размер частиц,мкм………………..≥ 160 ≥30 2-5

В настоящее время для бурения скважин на твердые полезные ископаемые ограниченно применяются гидроциклонные установки, разработанные опытно-методическими партиями новой техники (ОМПНТ) ПГО «Читагеология» и Иркутским политехническим институтом, а также серийно выпускаемая установка ОПР-1 конструкции ВИТР ВПО «Союзгеотехника».

Проведенные исследования, а также известный опыт использования других гидроциклонных установок позволяют рекомендовать для повышения степени очистки буровых растворов от шлама применение баратей гидроциклонов, повысить износостойкость гидроциклонных устоновок, применяя вкладыши из полимеров типа полиуретана и др.

Эффективность работы гидроциклонных установок в значительной мере определяется вязкостью исходной суспензии. В связи с этим может представлять интерес гидроциклонная установка, разработанная ОМПНТ «Красноярскгеология», состоящая из батарей гидроциклонов, винтового насоса ВН-4 и мультивибратора для изменения реологических свойств исходного раствора. Однако использование технических средств, способствующих дополнительному диспергированию частиц твердой фазы, может привести к росту в промывочной жидкости содержания коллоидных фракций. Это было отмечено, например, при очистке промывочной жидкости гидроциклоном типа ОПР-1 в условиях Норильской комплексной ГРЭ. Анализ шлама, отобранного при бурении из скважины до входа в гидроциклон и после, что содержание коллоидных частиц размером менее 0,002 мм возросло соответственно от 3,9 до 5,5 %.

Во всех случаях гидроциклоны рекомендуется включать сначала бурения до накопления твердой фазы в растворе. Этим предупреждается излишнее диспергирование частиц выбуренной породы.

Для повышения степени очистки раствора от выбуренной породы при бурении в любых геолого-технических условиях во ВНИИКР нефти была разработана трехступенчатая система, включающая: вибросито ВС-1 для грубой очистки (частицы размером до 160 мм); пескоотделители 1ПГК, ПГ-1, ПГ- 90 и др. (до 80 мкм); илоотделители конструкции ВНИИ нефтмаша и ВНИИКР нефти (до 30мкм).

Особенностью предложенной методики является то, что часть (20-35%) очищенного раствора используется для разбавления неочищенного, чтобы улучшить работу пескоотделения. При необходимости предусматривается разбавление раствора перед илоотделителем для снижения вязкости. Большие размеры и масса этого оборудования не позволяют использовать его при разведочном бурении на твердые полезные ископаемые.

Промышленностью выпускаются вибрационные цилиндрические сита для пропуска различных жидких суспензий. При их использовании можно очистить промывочную жидкость от частиц более 90 мкм, что позволяет применить только двухступенчатую систему очистки: вибросито и гидроциклон. По этой схеме из промывочной жидкости удаляются частицы более 30 мкм [41].

Фирма «Бароид» производит двухъярусные вибросита, в которых весь выходящий из скважины поток бурового раствора проходит при очистке через две мелкоячеистые сетки; размер ячеек верхней сетки составляет 0,59 мм (30 меш.); а нижней 0,177 мм (80 меш.). При работе вибросита сетки совершают не только колебательные, но и вращательные движения, описывая с большой скоростью точный круг, что снижает до минимума закупорку ячеек сетки, характерную для вибросит, в которых сетка совершает лишь колебательные движения, а также увеличивает пропускную способность мелкоячейстных сеток. Вибросита, в которых твердые частицы совершают не только колебательные движения, но и движения от центра к периферии, более эффективны.

Во ВНИИК нефти В.В.Денисенко и И. Н. Резниченко проводили исследования по очистке промывочного раствора методом непрерывного вибрационного осаждения с подачей жидкости на виброфильтрующий элемент снизу. В качестве вибропривода был использован эксцентриковый механический вибратор с регулируемой амплитудой от 0 до 20 мм и частотой колебаний от 8,3 до 50 Гц. При рациональном сочетании и расположении специальных технических средств очистки из раствора удаляются частицы шлама размером до 2 мкм. Этим достигается не только поддержание параметров раствора в заданных пределах, но и обеспечивается повторное использование жидкой фазы, содержащей химические реагенты. Кроме того, при наличии таких устройств значительно упрощается отходов буровых растворов.

Определенный интерес могут представлять данные экспериментальной проверки различных систем очистки раствора виброситом, гидроциклоном, центрифугой, проведенные фирмой «Эксон продакшн рисерч» при бурении глубоких скважин в различных геологических условиях: штаты Войоминг (а) и Луизиана (б) (табл. 2.2). В первом случае бурение производилось по крепким известнякам, доломитам, песчаникам, алевролитам штыревыми долотами в интервале глубин 318-3237 м с применением глинистого раствора с Во втором – по диспергирующим песчаникам и глинистым сланцам шарошечными долотами также с применением глинистого раствора с Из общего количества введенных в раствор компонентов было введено в первом случае 96 %, во втором 92,4 %.